CN108415121A - 一种高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器 - Google Patents

一种高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器包括包层以及中心对称设置的两个纤芯，所述纤芯的折射率高于所述包层的折射率，其中，所述包层是由背景材料和周期性分布的空气孔构成，所述偏振分束器的结构中心为一个椭圆空气孔，两个纤芯则按中心对称布设在所述椭圆空气孔的两侧，两个所述纤芯的外侧分别设有结构相同的另一椭圆空气孔。本发明结构设计灵活紧凑，光学性能优良，可以实现超短光纤长度且具有较宽带宽范围和较高消光比的高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器，解决了传统偏振分束器体积较大、工作带宽较窄越来越难以满足通信网络的需求等不足。

Description

一种高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器
技术领域
本发明属于光学器件领域，涉及一种具有高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器。
背景技术
随着光纤接入网及全光网络的发展，光纤通信成为主要的通信方式，其中光器件必不可少。在光通信系统和光网络中的作用可分为：连接光路或光波导；改变光的传播方向；实现光功率的分配；控制光波导之间、器件之间和光波导和器件之间的光耦合；光信道的上下交叉连接等。目前中国已建成一定规模的光纤通信网络，但更快速的移动网络的建设还需要光纤网络的支持，随着宽带业务的发展及网络扩容的需求，光纤通信仍需要完善与创新。对光纤通信而言，超高速度、超大容量和超长距离传输是全世界通信系统发展的挑战，全光网络更是人们追求的终极目标。传统的光网络是节点间的全光化，但网络节点处仍然采用电器件，限制了通信网干线总容量。应用于全光网络的光学器件例如：偏振分束器、光定向耦合器、色散补偿器、光的上下复用器等性能的提升影响着全光网络的推进，研制高性能廉价的光学器件，对未来建设全光网络起到决定性作用。
双芯光子晶体光纤可以看成两个相互平行的波导，不同于理想单根波导，两个平行波导之间存在模式耦合。当一束光射入双芯光子晶体光纤的一个纤芯A时，纤芯A和纤芯B的能量相互影响，即纤芯A激发的模场能量在传播中会激发出基模场，该基模场扩散到包层中并进入到另一纤芯B中影响纤芯B的模场分布，反之亦然。因此双芯光子晶体光纤中存在四个模式，分别为X方向的奇模和偶模，Y方向的奇模和偶模。
分束器的长度、消光比及带宽是衡量偏振分束器性能指标。偏振分束器长度直接决定能否将一束光的两个不同偏振态完全分离，现代通信系统趋向于集成化发展，光器件尺寸尤为重要，因此偏振分束器长度设计越短越好。消光比是描述不同偏振态光的分离程度，消光比越大，分离程度越好，分束器性能越好。带宽是偏振分束器工作的波长范围，在一定程度上决定光通信系统传输容量，通常将消光比-20dB对应的波长范围定义为偏振分束器的带宽，带宽越宽，传输范围越大，光通信系统容量越高。
传统偏振分束器体积大、消光比低、带宽窄、结构设计单一，限制了光通信系统集成化和传输容量。光子晶体光纤因其独特的结构，可以通过改变包层空气孔的尺寸、孔间距、填充功能性材料等得到优良的特性，相比传统光纤具有很大优势。本申请采用双芯光子晶体光纤制成的偏振分束器结构设计灵活、易于实现高双折射，进而可以设计出高消光比较宽带宽的小型偏振分束器。
发明内容
针对上述现有技术的缺点或不足，本发明要解决的技术问题是提供一种结构设计灵活紧凑，光学性能优良，可以实现超短光纤长度且具有较宽带宽范围和较高消光比的高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器，解决了传统偏振分束器体积较大、工作带宽较窄越来越难以满足通信网络的需求等不足。
为解决上述技术问题，本发明具有如下构成：
一种高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器包括包层以及中心对称设置的两个纤芯，所述纤芯的折射率高于所述包层的折射率，其中，所述包层是由背景材料和周期性分布的空气孔构成，所述偏振分束器的结构中心为一个椭圆空气孔，两个纤芯则按中心对称布设在所述椭圆空气孔的两侧，两个所述纤芯的外侧分别设有结构相同的另一椭圆空气孔。
设置在所述包层中的空气孔按照正多边形和椭圆形相结合的排列方式进行布设，其中，设置在所述结构中心外的邻层空气孔按椭圆形布设，其余层空气孔则以正多边形布设。
设置在所述包层中的空气孔按照正六边形和椭圆形相结合的排列方式进行布设，其中，设置在所述结构中心外的邻层空气孔按椭圆形布设，其余层空气孔则以正六边形布设。
所述偏振分束器的端面上的两个纤芯被三个椭圆空气孔夹在中间设置，其中，椭圆空气孔长轴沿纵向布设。
所述椭圆空气孔的长轴长为a，短轴长为b，椭圆率η＝a/b，其中，η＝2。
所述空气孔还包括三种孔径的第一圆形空气孔、第二圆形空气孔以及第三圆形空气孔，由第一圆形空气孔围成的第一空气孔层组、第二圆形空气孔围成的第二空气孔层组以及第三圆形空气孔围成的第三空气孔层组依次沿所述结构中心由内层向外层布设，其中，所述第三圆形空气孔的直径d3＞第一圆形空气孔的直径d1>第二圆形空气孔的直径d2。
所述第一空气孔层组、第二空气孔层组以及第三空气孔层组至少包含一层空气孔层。
所述第一空气层组为一层由第一圆形空气孔围成的空气孔层，所述第二空气孔层组为一层由第二空气孔围成的空气孔层，所述第三空气孔层组为三层由第三空气孔围成的空气孔层。
所述椭圆空气孔和与其相邻且设置在其外侧的第二圆形空气孔的孔间距为A2，相邻设置的第一圆形空气孔之间、相邻设置的第二圆形空气孔之间、相邻设置的第三圆形空气孔之间、相邻设置的第一空气孔与第二空气孔之间、相邻设置的第二空气孔与第三空气孔之间的孔间距A1均相同，其中，所述A1＞A2。
所述背景材料由石英材料或聚合物材料制成。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
本发明克服了传统偏振分束器体积大、消光比低、带宽窄等缺点，采用光子晶体这一新型材料，通过改变光子晶体光纤包层空气孔的结构和孔间距等结构方面的设计，使高双折射达到10-2数量级，消光比高达-76.24dB，消光比小于-20dB的带宽可达60nm，而光纤长度L仅为156μm，具有较短光纤长度和较高的消光比，符合未来超大容量、易于集成化的全光网络的需求。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1：本发明高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器的横截面图；
图2：如图1所示的模场分布图；
图3：如图1所示偏振分束器的归一化传输功率与传输距离的关系图；
图4：如图1所示纤偏振分束器的消光比随波长的变化曲线图；
图5：如图1所示偏振分束器的双折射随波长的变化曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
如图1所示，本实施例高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器，所述偏振分束器包括包层以及中心对称设置的纤芯A和纤芯B，所述纤芯A和纤芯B的折射率高于所述包层的折射率，其中，所述包层是由背景材料1和周期性分布的空气孔构成，所述偏振分束器的结构中心为一个椭圆空气孔4，两个纤芯则按中心对称布设在所述椭圆空气孔4的两侧，纤芯A和纤芯B外侧分别设有结构相同的另一椭圆空气孔8。中心对称的两个空气孔的缺失形成了纤芯A和纤芯B，构成高折射率区域；包层为低折射率区域，是全内反射型光子晶体光纤。本实施例通过引入椭圆形空气孔4和椭圆空气孔8增强结构非对称性，有利于得到高双折射特性，同时可以增大基模X偏振态和Y偏振态的耦合长度差，并通过合理设计光纤长度最终可以实现偏振光的分离。本实施例结构设计灵活紧凑，光学性能优良，可以实现超短光纤长度且具有较宽带宽范围和较高的消光比。
在本实施例中，双纤芯(纤芯A和纤芯B)是将中心椭圆空气孔4的左右两侧圆形空气孔用石英代替形成的高双折射区域。在图1中，所示纤芯A的附图标记为1，纤芯B的附图标记为2。
在本实施例中，光纤遵循全内反射型传输模式。
设置在所述包层中的空气孔按照正多边形和椭圆形相结合的排列方式进行布设，其中，设置在所述结构中心外的邻层空气孔按椭圆形布设，其余层空气孔则以正多边形布设。所述正多边形为正方形、正五边形、正六边形、正八边形等结构，具体结构可以根据实际情况进行适应性选择。
进一步地，在本实施例中，设置在所述包层中的空气孔按照正六边形和椭圆形相结合的排列方式进行布设，其中，设置在所述结构中心外的邻层空气孔按椭圆形布设，其余层空气孔则以正六边形布设。在本实施例中，在所述纤芯A和纤芯B处各引入一对下文所述的直径较大的第一空气孔7和一对椭圆形空气孔8，并呈现近似椭圆形状，增大了偏振分束镜的不对称性，使设计长度较小。
所述偏振分束器的端面上的两个纤芯(纤芯A和纤芯B)被三个结构相同的椭圆空气孔(一个椭圆空气孔4和两个椭圆空气孔8)夹在中间设置，其中，上述椭圆空气孔4和椭圆空气孔8的长轴均沿纵向布设，通过改变椭圆长轴与短轴的数值大小，实现椭圆率的任意调节；通过引入上述椭圆形结构，增强了结构非对称性，有利于得到高双折射的光子晶体光纤偏振分束器。
在本实施例中，所述椭圆空气孔4或椭圆空气孔8的长轴长为a，短轴长为b，椭圆率η＝a/b，其中，η＝2，其椭圆率可以通过改变长轴和短轴实现任意调节，下文所述的三种圆形空气孔和孔间距也可以改变，从而方便调节耦合长度大小。
所述空气孔还包括三种孔径的第一圆形空气孔7、第二圆形空气孔6以及第三圆形空气孔5，由第一圆形空气孔7围成的第一空气孔层组、第二圆形空气孔6围成的第二空气孔层组以及第三圆形空气孔5围成的第三空气孔层组依次沿所述结构中心从内层向外层布设，其中，所述第三圆形空气孔5的直径d3＞第一圆形空气孔7的直径d1>第二圆形空气孔6的直径d2。其中，在本实施例中，d3＝0.7μm，d2＝0.64μm，d1＝0.86μm。
所述第一空气孔层组、第二空气孔层组以及第三空气孔层组至少包含一层空气孔层。
在本实施例中，所述第一空气层组为一层由第一圆形空气孔7围成的空气孔层，所述第二空气孔层组为一层由第二空气孔6围成的空气孔层，所述第三空气孔层组为三层由第三空气孔5围成的空气孔层，具体布设方式见图1所示。不同空气层组的布设层数根据实际需要可进行适当地增减调整。
所述椭圆空气孔8和与其相邻且设置在其外侧的第二圆形空气孔6的孔间距为A2，相邻设置的第一圆形空气孔7之间、相邻设置的第二圆形空气孔6之间、相邻设置的第三圆形空气孔5之间、相邻设置的第一空气孔7与第二空气孔6之间、相邻设置的第二空气孔6与第三空气孔6之间的孔间距A1均相同，所述A1＞A2。在本实施例中，A1＝0.9μm，A2＝0.6μm。在实际使用过程中，可以通过调节上述孔间距A1和A2实现高消光比和较宽的带宽。所述背景材料1由石英材料或聚合物材料制成，其有效折射率为1.45，空气孔的有效折射率为1。
如图2所示，图中的箭头代表电场方向，由图可知，能量主要集中在双芯中，纤芯A和纤芯B能量相互影响形成模式耦合，因此双芯光子晶体光纤存在四个模式即X方向奇模场、X方向偶模场、Y方向奇模场、Y方向偶模场，其中，图2是波长λ＝1.55μm处Y方向的奇模场图。
如图3所示，由于双芯光子晶体光纤中两个垂直方向上传播常数不同，导致两偏振态的耦合长度不同，因此通过合理设计光纤长度可以实现偏振态分离，从图3可知，可制备传输长度L＝156μm的偏振分束器。当λ＝1.55μm，X偏振光全部从纤芯A中输出，Y偏振光则耦合到纤芯B中输出，两条光线实现完全分离。图中所示其中一条偏振光为X偏振光，另一条为Y偏振光。
本实施例采用长度L＝156μm的偏振分束器，其消光比随波长变化曲线图如图4所示，从图中可以得出当λ＝1.55μm时，消光比可取得-76.24dB，消光比小于-20dB的带宽可达60nm，此时具有较大消光比和宽带。
如图5所示，在偏振分束器中引入椭圆形结构可以增强偏振分束器的非对称性，可以获得较高的模式双折射，同时通过调节孔间距、孔大小等结构参数得到在λ＝1.55μm处10-2量级的高双折射，比普通保偏光纤高两个数量级。
由以上分析可得，上本实施例高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器，其光纤长度L为156μm，消光比最大为-76.24dB，且其具有较宽带宽。
本发明克服了传统偏振分束器体积大、消光比低、带宽窄等缺点，采用光子晶体这一新型材料，通过改变光子晶体光纤包层空气孔的结构和孔间距等结构方面的设计，使高双折射达到10-2数量级，同时消光比高达-76.24dB，消光比小于-20dB的带宽可达60nm，而光纤长度仅为156μm，具有较短光纤长度和较高消光比，符合未来超大容量、易于集成化的全光网络的需求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种高双折射双芯光子晶体光纤偏振分束器，其特征在于，
所述偏振分束器包括包层以及中心对称设置的两个纤芯，所述纤芯的折射率高于所述包层的折射率，
其中，所述包层是由背景材料和周期性分布的空气孔构成，
所述偏振分束器的结构中心为一个椭圆空气孔，两个纤芯则按中心对称布设在所述椭圆空气孔的两侧。
两个所述纤芯的外侧分别设有结构相同的另一椭圆空气孔。
2.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，设置在所述包层中的空气孔按照正多边形和椭圆形相结合的排列方式进行布设，其中，设置在所述结构中心外的邻层空气孔按椭圆形布设，其余层空气孔则以正多边形布设。
3.根据权利要求2所述的偏振分束器，其特征在于，设置在所述包层中的空气孔按照正六边形和椭圆形相结合的排列方式进行布设，其中，设置在所述结构中心外的邻层空气孔按椭圆形布设，其余层空气孔则以正六边形布设。
4.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器的端面上的两个纤芯被三个椭圆空气孔夹在中间设置，其中，椭圆空气孔长轴沿纵向布设。
5.根据权利要求4所述的偏振分束器，其特征在于，所述椭圆空气孔的长轴长为a，短轴长为b，椭圆率η＝a/b，其中，η＝2。
6.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，
所述空气孔还包括三种孔径的第一圆形空气孔、第二圆形空气孔以及第三圆形空气孔，
由第一圆形空气孔围成的第一空气孔层组、第二圆形空气孔围成的第二空气孔层组以及第三圆形空气孔围成的第三空气孔层组依次沿所述结构中心从内层向外层布设，
其中，所述第三圆形空气孔的直径d3＞第一圆形空气孔的直径d1>第二圆形空气孔的直径d2。
7.根据权利要求6所述的偏振分束器，其特征在于，所述第一空气孔层组、第二空气孔层组以及第三空气孔层组至少包含一层空气孔层。
8.根据权利要求7所述的偏振分束器，其特征在于，所述第一空气层组为一层由第一圆形空气孔围成的空气孔层，所述第二空气孔层组为一层由第二空气孔围成的空气孔层，所述第三空气孔层组为三层由第三空气孔围成的空气孔层。
9.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述椭圆空气孔和与其相邻且设置在其外侧的第二圆形空气孔的孔间距为A2，相邻设置的第一圆形空气孔之间、相邻设置的第二圆形空气孔之间、相邻设置的第三圆形空气孔之间、相邻设置的第一空气孔与第二空气孔之间、相邻设置的第二空气孔与第三空气孔之间的孔间距A1均相同，其中，所述A1＞A2。
10.根据权利要求1至9任一项所述的偏振分束器，其特征在于，所述背景材料由石英材料或聚合物材料制成。
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